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    jamp
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    <journal-title>
     Journal of Applied Mathematics and Physics
    </journal-title>
   </journal-title-group>
   <issn pub-type="epub">
    2327-4352
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   <issn publication-format="print">
    2327-4379
   </issn>
   <publisher>
    <publisher-name>
     Scientific Research Publishing
    </publisher-name>
   </publisher>
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   <article-id pub-id-type="doi">
    10.4236/jamp.2024.128165
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   <article-id pub-id-type="publisher-id">
    jamp-135182
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     <subject>
      Articles
     </subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="Discipline-v2">
     <subject>
      Physics 
     </subject>
     <subject>
       Mathematics
     </subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    Avoiding the Use of Lagrange Multipliers. II. Constrained Extrema of Functionals and the Evaluation of Constrained Derivatives
   </title-group>
   <contrib-group>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       David S.
      </surname>
      <given-names>
       Corti
      </given-names>
     </name> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff1"> 
      <sup>1</sup>
     </xref>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Ricardo
      </surname>
      <given-names>
       Fariello
      </given-names>
     </name> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff2"> 
      <sup>2</sup>
     </xref>
    </contrib>
   </contrib-group> 
   <aff id="aff1">
    <addr-line>
     aDavidson School of Chemical Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN, USA
    </addr-line> 
   </aff> 
   <aff id="aff2">
    <addr-line>
     aDepartment of Computer Science, State University of Montes Claros, Montes Claros, MG, Brazil
    </addr-line> 
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    <day>
     06
    </day> 
    <month>
     08
    </month>
    <year>
     2024
    </year>
   </pub-date> 
   <volume>
    12
   </volume> 
   <issue>
    08
   </issue>
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    2764
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   <lpage>
    2788
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      5,
     </day>
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      July
     </month>
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      2024
     </year>
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    <date date-type="published">
     <day>
      9,
     </day>
     <month>
      July
     </month>
     <year>
      2024
     </year> 
    </date> 
    <date date-type="accepted">
     <day>
      9,
     </day>
     <month>
      August
     </month>
     <year>
      2024
     </year> 
    </date>
   </history>
   <permissions>
    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
    </copyright-statement>
    <copyright-year>
     2014
    </copyright-year>
    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
     </license-p>
    </license>
   </permissions>
   <abstract>
    A method for determining the extrema of a real-valued and differentiable function for which its dependent variables are subject to constraints and that avoided the use of Lagrange multipliers was previously presented (Corti and Fariello, Op. Res. Forum 
    <b>2</b> (2021) 59). The method made use of projection matrices, and a corresponding Gram-Schmidt orthogonalization process, to identify the constrained extrema. Furthermore, information about the second-derivatives of the given function with constraints was generated, from which the nature of the constrained extrema could be determined, again without knowledge of the Lagrange multipliers. Here, the method is extended to the case of functional derivatives with constraints. In addition, constrained first-order and second-order derivatives of the function are generated, in which the derivatives with respect to a given variable are obtained and, concomitantly, the effect of the variations of the remaining chosen set of dependent variables are strictly accounted for. These constrained derivatives are valid not only at the extrema points, and also provide another equivalent route for the determination of the constrained extrema and their nature.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Constrained Extrema
    </kwd> 
    <kwd>
      Functional Derivatives
    </kwd> 
    <kwd>
      Projection Matrices
    </kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
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 <body>
  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>Recently, the authors presented <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref> a method for determining the extrema of real-valued and differentiable functions for which its dependent variables are subject to constraints and that avoids the use of Lagrange multipliers. The method made use of projection matrices, and a corresponding Gram-Schmidt orthogonalization process, to identify the constrained extrema. Although Lagrange multipliers were not required, a comparison of this approach to the method of Lagrange multipliers nevertheless yielded expressions for the Lagrange multipliers in terms of the gradients of the given function and the additional functions that represent the constraints. Furthermore, information about the second-derivatives of the given function with constraints was generated, from which the nature (i.e., maxima or minima) of the constrained extrema were determined, again without knowledge of the Lagrange multipliers.</p>
   <p>Other methods for avoiding the use of Lagrange multipliers have been developed for constrained extrema problems. For example, one prior approach utilized wedge products <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-2">
     [2]
    </xref>, though only considered first-order variations of the given function. Another approach employed the chain rule and the implicit function theorem <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-3">
     [3]
    </xref>, and also yields information about second-order derivatives. The nature of the constrained extrema can also be found from the introduction of an extended Hessian matrix <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-4">
     [4]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-5">
     [5]
    </xref>. Yet, the values of the Lagrange multipliers are still required when evaluating these matrices, and the general procedure for the case of multiple constraints was not provided. Our proposed method, with its use of well-known aspects of linear algebra and a relatively straightforward incorporation of multiple constraints, may prove computationally more convenient than these prior approaches for some optimization problems with a large number of constraints.</p>
   <p>We again note that this method followed some of the ideas, as well as some of the convenient notation, provided in the work of Gál <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-6">
     [6]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-11">
     [11]
    </xref> for the evaluation of first- and second-order functional derivatives with constraints (and also without the use of Lagrange multipliers). To a certain extent, our approach for analyzing constrained extrema without Lagrange multipliers is the discrete version (i.e., the number of variables is finite) of one of the continuum versions (i.e., an “infinite” variable space requiring functional derivatives) presented by Gál. Some aspects of our current discrete approach were therefore hinted at in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-11">
     [11]
    </xref>, though not fully developed (at least for multiple constraints).</p>
   <p>Besides the direct benefit of solving constrained problems without the need for Lagrange multipliers, which also potentially simplifies the determination of the nature of the extrema, our approach may, upon further exploration, be of additional utility. In various scientific problems of interest that are formulated as constrained problems, the Lagrange multipliers typically have physical meanings. For example, in statistical physics, the maximization of the Gibbs entropy formula subject to certain constraints provides another route to generating the canonical and grand canonical ensembles. In both cases, one of the Lagrange multipliers is associated with the inverse temperature of the thermal reservoir, while in the latter case, another Lagrange multiplier is associated with the chemical potential of the particle reservoir <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-12">
     [12]
    </xref>. Here, by direct comparison to the method of Lagrange multipliers, our approach leads to general expressions for the Lagrange multipliers themselves <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref>. Given the often found connection between the Lagrange multipliers and physical quantities, these new expressions may yield some different and useful insights into various constrained problems of physical interest <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-13">
     [13]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-16">
     [16]
    </xref>.</p>
   <p>We do not explore further these connections here, but instead consider other aspects of our approach that can be applied to other important constrained problems of interest. In particular, we present the extension of our approach to the case of functional derivatives with constraints. In addition, the explicitly constrained first-order and second-order derivatives of the given function (for the discrete variable set) are obtained, in which derivatives with respect to a given variable are generated and, concomitantly, the effect of the variations of the remaining chosen set of dependent variables are strictly accounted. These constrained derivatives are valid not only at the extrema points, thereby providing information that may be of use for various problems of interest, and may also be used for the determination of the constrained extrema and their nature.</p>
   <p>In the remainder of this paper, we first present a summary of the method developed in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref>, in which local extrema and their nature are determined with constraints, again without the use of Lagrange multipliers. We then present the extension of our approach to the continuum limit (i.e., functional derivatives with constraints), some of the results of which are consistent with the analysis provided in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-6">
     [6]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-11">
     [11]
    </xref>. Finally, we also consider the determination of constrained first- and second-order derivatives of the given function (for the discrete variable set), i.e., derivatives for which the impact of the constraints are explicitly accounted. These derivatives are valid not just at the extrema points, several results of which have not been obtained previously.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>2. Review of the Method Avoiding the Use of Lagrange Multipliers</title>
   <p>Consider the real-valued function, f, that is dependent upon the n (initially) independent variables 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>. In the multi-dimensional space 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>, the (column) vector 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> describes a general variation of all the n (initially) independent variables, such that the first-order variation of f, or 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, is generated from 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> (in which for notational convenience the corresponding transposed row vector is denoted by 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </mstyle> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mtext> 
      </mtext> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>). This first-order variation follows from the projection of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> onto the direction of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>, which is just the directional derivative of f along 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Let there now be 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> constraints on 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>, which are assumed to be represented by the following set of differentiable functions:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>,</p>
   <p>and for which 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> are constants. These constraints describe m constraint surfaces in which the vectors 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> are normal to their corresponding surface. To find a direction that is orthogonal to these resulting normal vectors, and as such resides in all of the corresponding m constraint surfaces, a Gram-Schmidt orthogonalization process was invoked <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref>, which generated the following projection matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> that can be represented by the following “formal” determinant</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋱ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              I 
            </mi> 
           </mstyle> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(1)</p>
   <p>which is evaluated along the bottom row. In Equation (1), 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        I 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math> is the identity matrix and</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋱ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(2)</p>
   <p>which is also the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> upper left minor of the matrix in Equation (1). (We are assuming that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ≠ 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, which again also follows from the assumed linear independence of the various 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.) For a given vector, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> projects that vector onto the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-constraint surfaces, or equivalently onto the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving direction. As required, Equation (1) indicates that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> for 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, since 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> yields a determinant in which the kth and last columns are identical. (When 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> operates on a column vector only the last column of Equation (1) operates on that column vector.)</p>
   <p>An alternative expression for 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> was also obtained <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref></p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <munderover> 
       <mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </munderover> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <munderover> 
       <mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </munderover> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <msubsup> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math>(3)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         A 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msubsup> 
     </mrow> 
    </math> is the co-factor of element ji in the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> matrix used to determine 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> in Equation (2). With Equation (3), one can show, as required for a projection matrix, that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is idempotent, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtext>
        det 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            Q 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtext>
        Tr 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            Q 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> (which also equals the number of non-zero eigenvalues of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, with each all being equal to one).</p>
   <p>Now, the projection of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math> onto the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving direction, or in the direction residing along the various constraint surfaces, is labeled as 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          ⋯ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>, or for convenience 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>, and is given by 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>. As noted earlier, the first-order (unconstrained) variation of f, or 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, is generated from 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, which follows from the projection of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> onto the direction of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>, which is just the directional derivative of f along 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>. Analogously, a first-order variation of f that maintains the constraints, denoted as 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          ⋯ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, or 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, can be generated by projecting 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> onto the direction of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>. Hence, the directional derivative of f residing along the constraint surface, or the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving first-order variation of f, is given by 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              K 
            </mi> 
           </mstyle> 
          </msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </mstyle> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>. This first-order variation can be, however, generated in a different way. To do so, we define the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving gradient of f, or what we label as 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, to be the vector that yields, by construction, the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving first-order variation of f when evaluated along the (unconstrained) variation 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>. In other words, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> is defined via 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. Therefore,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </mstyle> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>(4)</p>
   <p>Given that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </mstyle> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, then</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>(5)</p>
   <p>or</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋱ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(6)</p>
   <p>(which is again evaluated along the bottom row). From the above, we conclude that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> is the projection of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> onto the various constraint surfaces. Note that each component of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> includes contributions from all the n variables, since 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> accounts implicitly for how all the variables must change due to the constraints. Furthermore, Equation (6) implies that the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving gradient operator, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, is equal to 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>At an extremum, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, so we have that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋱ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>(7)</p>
   <p>a condition for a constrained extremum that avoids the use of Lagrange multipliers. Equation (7) was shown to be equivalent to what follows from the method of Lagrange multipliers <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref>. A comparison of Equation (7) to the method of Lagrange multipliers provides an immediate general expression for the Lagrange multipliers, showing that they are related to the co-factors of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, etc. in the bottom row of the matrix in Equation (7) divided by 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>. Furthermore, due to various properties of the determinant (e.g., row and column interchanges), the choices of which constraints are labeled 1, 2, etc. are arbitrary (as to be expected), and will not affect the results presented above. Finally, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> is, of course, by construction orthogonal to the vectors 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, etc. Given Equation (6), 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> (for 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mo> 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>) generates a determinant in which the kth and last rows are identical, and so 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>. Finally, the introduction of the matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> proves convenient in various applications, where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <mtext>
        Tr 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
          <mover accent="true"> 
           <mi>
             Q 
           </mi> 
           <mo>
             ˜ 
           </mo> 
          </mover> 
         </mstyle> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <mtext>
        det 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
          <mover accent="true"> 
           <mi>
             Q 
           </mi> 
           <mo>
             ˜ 
           </mo> 
          </mover> 
         </mstyle> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and at an extremum 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>The nature of an extremum (i.e., maximum or minimum or saddle point) can be determined from an appropriate matrix of the various corresponding 2<sup>nd</sup>-order derivatives. For the unconstrained case, the second-order variation of f, or 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, is generated from 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>, where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> is the matrix of all the (unconstrained) second-order derivatives of f. This result can be obtained in the following manner. As noted previously, the unconstrained first-order variation of f is given by 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, which implies that one can introduce the (scalar) “variation operator” 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>. Hence, the second-order variation operator (another scalar) is equal to</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mstyle> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>,</p>
   <p>and so 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>. (Note when 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> operates on f, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> does not act on 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>, but on f only.)</p>
   <p>Now, similar to the previous derivation of the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving gradient, we likewise generate two different expressions for the second-order 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving variation of f, or 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. First, a new matrix of constrained second-order derivatives, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, is introduced, such that by construction when twice operated on by 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>, one obtains 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. Hence, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is defined in the following manner</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>(8)</p>
   <p>On the other hand, from Equation (4), 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, which suggests that we introduce the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving variation operator 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>. Therefore, we also have that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <msubsup> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </msub> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <msup> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mtext>
             T 
           </mtext> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <msup> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mtext>
             T 
           </mtext> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <msup> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mtext>
             T 
           </mtext> 
          </msup> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               Q 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mi>
              m 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            Q 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               Q 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mi>
              m 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mstyle> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math>(9)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> is a row vector. Comparing Equations (8) and (9) implies that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            Q 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(10)</p>
   <p>in which 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            Q 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>. Since the elements of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> may depend upon the variables 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>, the order of operation of the gradient operator on 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> needs to be maintained in Equation (10). Equation (10) can also be obtained in another way. Starting with the following definition of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <msubsup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-7">
     [7]
    </xref>, and noting that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>, we have that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            Q 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(11)</p>
   <p>When determining 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, first evaluating 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              Q 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> and then operating on this row vector, initially with 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mo>
       ∇ 
     </mo> 
    </math> (to obtain a matrix) and subsequently with 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, proves to be convenient. Nonetheless, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> can be expanded to yield alternative forms as shown in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref>. Since Equation (11) shows that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the product of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and another matrix, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        det 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, which is again consistent with the fact that while 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> includes derivatives with respect to all n variables, ultimately not all of these 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving variations are independent due to the constraint (where we now expect m eigenvalues to be equal to zero due to the m constraints). Finally, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> can also be expressed as <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref></p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <msub> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
            <mover accent="true"> 
             <mi>
               Q 
             </mi> 
             <mo>
               ˜ 
             </mo> 
            </mover> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(12)</p>
   <p>an alternative form that proves convenient in some cases, and which is only appropriate for the constrained extrema, for which 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>. Ultimately, the nature of the constrained extrema can be obtained from the signs of the eigenvalues of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>For certain problems, this new method does yield a decrease in the number of steps needed to identify the constrained extrema, compared to the method of Lagrange multipliers and at least after the projection matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> has been determined <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref>. Moreover, the new method arguably provides a clear advantage over the method of Lagrange multipliers when determining the nature of the constrained extrema. As an example to illustrate the potential benefits of the new method, consider the following sample problem <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
     [1]
    </xref>, in which we are interested in finding the extremum of the function 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo> 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo> 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mo> 
      </mo> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mo> 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mo> 
      </mo> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mo> 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>, subject to the two constraints 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>. To begin, we first note that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             5 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              I 
            </mi> 
           </mstyle> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             4 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(13)</p>
   <p>Therefore,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(14)</p>
   <p>At the constrained extremum, in which 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, we find with the constraints that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. To determine the nature of the extremum, we note for the two given constraints that each element of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is a constant, and so 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>. Therefore, from Equation (11), 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>. Now, for the given function f,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>(15)</p>
   <p>Hence, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>. The rank of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, and so 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, is 1, in which there are two zero eigenvalues (i.e., two constraints). With the trace of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <msub> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> equaling 2, the only non-zero eigenvalue is then equal to 2. Thus, the extremum corresponds to a minimum. All of these results can be verified by direct substitution of the constraints into the function f. With 3 variables and 2 constraints, there is only a single degree of freedom for this problem (i.e., only one of the variables can be varied independently of the other two). So, for example, we note that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <msub> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        6 
      </mn> 
      <msubsup> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mn>
        8 
      </mn> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        5 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>This function of a single variable has an extremum at 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, and a second derivative equal to 12, confirming that this stationary point is a minimum.</p>
  </sec><sec id="s3">
   <title>3. Extrema for Functional Derivatives with Constraints</title>
   <p>In the calculus of variations, which has important applications in mathematics and various physical problems, one attempts to find a particular function that yields an extremum of another function. The function that relates a particular value to each inputted function is called a functional <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-17">
     [17]
    </xref>. The functional derivative indicates how the functional changes upon an infinitesimal change of the function upon which the functional depends. When there are additional constraints on the input functions, the extrema of the functionals can be obtained through the use of functional derivatives and the method of Lagrange multipliers. Yet, formally determining the nature of these extrema with this method is unclear, particularly for the case of functionals that depend upon several functions with multiple constraints. Hence, as noted for the extrema of functions with constraints, avoiding the use of Lagrange multipliers when considering the extrema of functionals with constraints, particularly when evaluating the nature of these extrema, may prove beneficial for various problems of interest.</p>
   <p>The extension of our method to the case of finding extrema for functional derivatives with constraints can be obtained by analogy, or by considering the limit of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math> when there are an “infinite number of (continuous) variables”. Thus, wherever a 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math> appears, it is replaced by 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, where y is a function of the now continuous variable set 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>. So, for f that is now a functional of y, or 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         [ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ] 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, we have that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </msub> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(16)</p>
   <p>where each of the above can be thought of as a “column vector of infinite size”. Therefore, we also have, for example, that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∫ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           j 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∫ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(17)</p>
   <p>The last two expressions can be then used to evaluate the corresponding matrix elements in Equation (1). In addition, we have the following orthogonality condition</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∫ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </msub> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(18)</p>
   <p>Hence, for the case of a single constraint, g, we have that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
        </msub> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(19)</p>
   <p>and so at an extremum</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(20)</p>
   <p>As the two integrals are the same for each 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>, they are constants. Therefore, Equation (20) yields a result similar to what would be obtained with the use of Lagrange multipliers (though, in contrast, we again get an immediate expression for the multiplier with the new method). Note that Equations (19) and (20) are different from what follows from the analysis of Gál <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-6">
     [6]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-11">
     [11]
    </xref>. Gál hinted at their derivation <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-11">
     [11]
    </xref>, and does not explicitly include them, as it was noted that in some cases the integrals may be unbounded (which may occur when the integrals are not evaluated over a finite range of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>). Thus, this direct extension from the discrete case may not be valid in all situations, which was one of the motivations for Gál to obtain different, and more generally applicable, expressions for the functional derivatives with constraints. Nonetheless, at least for the case of a single constraint, the results following from Equation (20) (assuming the integrals are bounded) are equivalent to what follows from Gál’s approach (as they should, as both the above and Gal’s expression yield a constant that appears next to the functional derivative of the constraint, just like what appears from the method of Lagrange multipliers applied to functional derivatives).</p>
   <p>We also consider the case of second-order functional derivatives. The matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        F 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math> of discrete (unconstrained) second derivatives now becomes the following in the continuum or functional limit</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        F 
      </mi> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           j 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(21)</p>
   <p>(where i denotes the row and j the column of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        F 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math> for the discrete case). The determination of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> in the same functional limit can be obtained, for example, from Equation (12), in which the discrete result is first generated followed by taking the continuum limit. The result is in general complicated, and is not provided here. But a significant simplification does arise for the case of a single constraint and when the second functional derivative of the constraint is always equal to zero. For this case (a single constraint in which its second functional derivative always vanishes), one finds that (as shown in the Appendix)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          ≡ 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mi>
             K 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mi>
             K 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             D 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             D 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mfrac> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             D 
           </mi> 
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             1 
           </mn> 
           <mn>
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           </mn> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∬ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ‴ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ‴ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ″ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <msup> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               ‴ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math>(22)</p>
   <p>in which</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∫ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ″ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ″ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ″ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(23)</p>
   <p>Through the use of dummy variables, each term in Equation (22) retains its dependence on the functional derivatives of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           ′ 
         </mo> 
        </msup> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. The corresponding eigenvalue equation for the second functional derivatives is given by <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-17">
     [17]
    </xref></p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        K 
      </mi> 
      <mi>
        ψ 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        λ 
      </mi> 
      <mi>
        ψ 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>(24)</p>
   <p>where</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        K 
      </mi> 
      <mi>
        ψ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∫ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
         <mi>
           ψ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <msup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
          </mstyle> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mi>
              K 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mi>
              K 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <msup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                ′ 
              </mo> 
             </msup> 
            </mstyle> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>(25)</p>
   <p>This is an integral equation, and gives rise to a continuum of eigenvalues (which can again be used to test the nature of the extrema).</p>
   <p>In addition, there are cases for which f and the various constraints are functionals of multiple functions, where, for example, we have that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         [ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mo>
          ⋯ 
        </mo> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ] 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> subject to the constraints of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         [ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mo>
          ⋯ 
        </mo> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ] 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> for 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mi>
        m 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. Here, we can treat the various results as arising from the following “extended vectors”, in which</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <mi>
        y 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mi>
        δ 
      </mi> 
      <msub> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        ; 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(26)</p>
   <p>The above are again “column vectors”, with each set of functional derivatives appearing one after the other in succession and each spanning the “same height” within the column. So then, we have, for example, that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <munderover> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </munderover> 
       <mrow> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
          </msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
           <mi>
             j 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <msub> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
          </msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msubsup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <munderover> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </munderover> 
       <mrow> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <msub> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(27)</p>
   <p>Second functional derivatives can also be obtained, but the resulting expressions become complicated very quickly.</p>
   <p>Finally, let’s consider an example of the application of some of the above results. For a given curve in the y-x plane, the differential arc length 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        s 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> is 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mtext>
                  d 
                </mtext> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 / 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mtext>
                  d 
                </mtext> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
               </mrow> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mtext>
        d 
      </mtext> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. Given two points a and b on the x-axis, the area enclosed by the curve with the x-axis is given by 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mo>
           ∫ 
         </mo> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
        </msubsup> 
        <mrow> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math>. We can then ask the following question: what is the shape of the curve of fixed arc length L joining the given points, which, along with the x-axis, encloses the largest area? In other words, we want to minimize 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mo>
           ∫ 
         </mo> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
        </msubsup> 
        <mrow> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
     </mrow> 
    </math> subject to the constraint of</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mo>
           ∫ 
         </mo> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           b 
         </mi> 
        </msubsup> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msup> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <msup> 
                 <mi>
                   y 
                 </mi> 
                 <mo>
                   ′ 
                 </mo> 
                </msup> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
         </msup> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        L 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>,</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
       <mo>
         ′ 
       </mo> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. The shape should be that of a circle that passes through the two points on the x-axis.</p>
   <p>Now, with</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <msup> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          ″ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <msup> 
                <mi>
                  y 
                </mi> 
                <mo>
                  ′ 
                </mo> 
               </msup> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mtext>
         d 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <msup> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               [ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <msup> 
                  <mi>
                    y 
                  </mi> 
                  <mo>
                    ′ 
                  </mo> 
                 </msup> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               ] 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(28)</p>
   <p>then, according to Equation (20), at an extremum,</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <msup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mstyle displaystyle="true"> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <msup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mstyle> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(29)</p>
   <p>Instead of attempting to directly evaluate the above two integrals, we note they have the same values for each x (as they are evaluated over the same stationary curve y and limits of integration, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mo>
         ′ 
       </mo> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        a 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> to 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mo>
         ′ 
       </mo> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        b 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>). Their ratio is also equal to some constant σ (which is simply the Lagrange multiplier for this problem), and so Equations (28) and (29) indicate that</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mtext>
         d 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mtext>
          d 
        </mtext> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mi>
            σ 
          </mi> 
          <msup> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <msup> 
                  <mi>
                    y 
                  </mi> 
                  <mo>
                    ′ 
                  </mo> 
                 </msup> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(30)</p>
   <p>Integrating both sides, after which appears the integration constant c<sub>1</sub>, leads upon rearrangement to</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
       <mo>
         ′ 
       </mo> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        ± 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               σ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  + 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   c 
                 </mi> 
                 <mn>
                   1 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(31)</p>
   <p>An additional integration, and further rearrangements with a new constant of integration c<sub>2</sub>, leads to the final result of</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             c 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         σ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(32)</p>
   <p>which is, as expected, the equation of a circle with radius σ. If so desired, we can determine σ using the constraint, which will be related to L, a, and b. Three points are needed to specify uniquely a given circle, or equivalently, two points and the circumference. If L is not much larger than 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        b 
      </mi> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mi>
        a 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, the center of the circle will reside below the x-axis. If L is much larger than 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        b 
      </mi> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mi>
        a 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, the center of the circle will reside above the x-axis. (By symmetry, the center of the circle should reside halfway between a and b, so that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo> 
      </mo> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo> 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            b 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>.) Finally, this method provides some insight into why σ, or the Lagrange multiplier, is the radius of the circle. The second expression of Equation (28) indicates that the functional derivative of g is the negative of the curvature of the curve y, or the negative inverse of the radius of curvature <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-18">
     [18]
    </xref>. Hence, with Equation (29), the Lagrange multiplier is related to a particular weighted average of the curvature of the stationary curve. Since the curvature of a circle is constant, the Lagrange multiplier (ex post facto) is seen to be equal to the radius of the circle.</p>
  </sec><sec id="s4">
   <title>4. Determination of the First- and Second-Order Explicitly Constrained Derivatives</title>
   <p>Returning to the discrete case, or the finite variable set 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, we again note that the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>-conserving gradient of f, or 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, is the projection of the unconstrained gradient, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, onto the intersection of all the constraint surfaces. As a result, each one of the n components of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> is, in general, not equal to zero, even though the n variables cannot be independently varied. Since the effect of the constraint is implicitly, and not explicitly, accounted for in 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, the specific meaning of its components is unclear (besides simply being the projection of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> onto each of the separate n initially independent directions). While it is tempting to represent the ith component of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> as 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             / 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, this partial derivative cannot be meaningful as written. Unlike what was implied for 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         / 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             / 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> cannot also imply that all variables besides 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> are held fixed, otherwise the 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        K 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>-conserving constraints cannot be satisfied. Such a 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        K 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math>-conserving partial derivative, if it is to be meaningfully written, must indicate explicitly which variables are held fixed and which variables are still allowed to vary. For the case of n variables with a single constraint, only 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> variables can be held constant upon partial differentiation, with the variation of the remaining 2 variables being coupled via the constraint. For example, a meaningful constrained first derivative in this case can be represented by 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             / 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, in which we have arbitrarily chosen 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> to be the additional parameter that is allowed to vary and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         [ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ] 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> denotes that all 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        x 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math> are to be held fixed except 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> (with 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        i 
      </mi> 
      <mo>
        ≠ 
      </mo> 
      <mi>
        n 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>). There are of course several choices for the dependent or “floating” variable in these partial derivatives. But as presently derived, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> does not immediately provide information about any one of these possible derivatives 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             / 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           [ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ] 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <sec id="s4_1">
    <title>4.1. Case of a Single Constraint</title>
    <p>When there is a single constraint, the derivation of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is straightforward. Using the chain rule, we have that</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>(33)</p>
    <p>where, for example, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is the partial derivative in which all variables are held fixed except 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> (i.e., the standard unconstrained partial derivatives). Noting for the single constraint that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, then</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>(34)</p>
    <p>a result that is only meaningful if 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> appears explicitly within the constraint, i.e., 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Equation (34) also follows from the implicit function theorem, or implicit differentiation <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-19">
      [19]
     </xref>. Equations (33) and (34) can be combined to evaluate the constrained first-order derivative for any appropriate choice of i and n.</p>
    <p>Since 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the projection matrix onto the 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math>-conserving direction, and thus contains information on variations that reside within the intersection of all those surfaces, Equations (33) and (34) can likewise be obtained using various properties of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. We therefore repeat the derivation of these equations, along with generating some additional new relations, making use of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. While for a single constraint this approach is admittedly less straightforward than how Equation (33) was already derived, generating these relations in another way nevertheless proves to be useful. For the case of multiple constraints, the use of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and its various properties greatly simplifies the derivation of the explicitly constrained first- and second-order derivatives.</p>
    <p>To begin, and to illustrate the approach, we again consider the case in which there is a single constraint, g. Now, a set of vectors that reside within, or are tangent to, the constraint surface can be generated from the eigenvectors of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. If 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> denotes an eigenvector of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> corresponding to one of its 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> eigenvalues with value 1, then by definition 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>, i.e., 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> already resides within the constraint surface. With Equation (1), 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math> reduces to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, which yields n identical equations, all of which are given by</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>(35)</p>
    <p>Since 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math>, as an eigenvector of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, is orthogonal to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, the vector normal to the constraint surface, we have that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. To generate a set of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> eigenvectors that all correspond to Equation (35), we need to set the values of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> components of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> in the above equation.</p>
    <p>For example, if we are interested in the relative variations of, say, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, such that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> through 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are constant and the constraint is maintained, then an eigenvector that corresponds to such a variation is obtained from Equation (35) upon setting 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> through 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> equal to zero, or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. If we are further interested in the resulting variation in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> relative to a given variation in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, then we set 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and solve for 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, which corresponds to Equation (34). The resulting eigenvector that is in the direction of this variation is 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 g 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 g 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. More formally, the variations of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> (based on a change in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>), such that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> through 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are constant and the constraint is maintained, is given by 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>. Now, the K-conserving first-order variation of f such that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> through 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are also constant, or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, is generated by projecting 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> onto the direction of this eigenvector. Hence,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>(36)</p>
    <p>or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, a result which upon evaluation matches Equations (33) and (34).</p>
    <p>By again selecting 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> to be that variable which depends upon the variation of one of the other variables, we can generate the remaining 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> eigenvectors corresponding to Equation (35) in exactly the same manner. The full set of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> eigenvectors, for the arbitrary choice of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> as the dependent variable, is 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 g 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 g 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 g 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 g 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 g 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <mi>
                   n 
                 </mi> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <mn>
                   1 
                 </mn> 
                </mrow> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 g 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. Note that these 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> eigenvectors are linearly independent since 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> requires each of the constants to equal zero or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Hence, these eigenvectors form a basis set to describe all other variations that reside in the constraint surface. (There are of course other linearly independent basis sets that can be generated, based on the choice of which variable is selected as the common dependent variable.) The projection of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> onto each of these eigenvectors generates in turn the following 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> constrained first-order derivatives of f: 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mo>
        ⋯ 
      </mo> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>With n choices for the first-order variation of interest, followed by 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> additional choices for the dependent variable, there are 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> K-conserving first-order derivatives of f that can be generated. Nevertheless, Equations (33) and (34) imply, for example, that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Hence, not all of these derivatives are independent. The generation of a linearly independent set of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> eigenvectors indicates that only 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> of these derivatives are independent (as the eigenvector corresponding to one of the 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> derivatives can therefore be obtained via a linear combination of the chosen 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> basis set).</p>
    <p>Thus, at an extremum, each one of these linearly independent K-conserving first-order derivatives should vanish. Unlike the extremal condition based on 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, which corresponds to n equations, the use of, for example, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> ( 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>) at an extrema, corresponds to only 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> equations (which is consistent with the fact that there are only 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> degrees of freedom for this system with a single constraint). Although there is a reduction in the number of conditions to solve at an extrema, additional work is required for this approach. The application of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> is rather straightforward, and still seems to be the preferred approach, as it avoids the additional required step of generating the eigenvectors of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> (although the eigenvectors for the case of a single constraint are rather straightforward to obtain).</p>
    <p>All of these 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> independent variations can be represented in the following manner. Let 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> be the 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> matrix whose columns are the linearly independent eigenvectors obtained earlier. Hence, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> indicates that we are now only dealing with the first 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> variations, and does not include the variation of the nth variable. The constrained first-order variation of f based on these linearly independent 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> variations is therefore given by</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>(37)</p>
    <p>Hence, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, where the ith component of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. Note that, just by considering their dimensions, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>. But a connection between these two gradients can be obtained. Since the columns of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         U 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> are the eigenvectors of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, then 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>, and so (after transposing both sides) 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>. Therefore,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>(38)</p>
    <p>which indicates that the individual terms of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> are the further projections of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> onto each of the linearly independent eigenvectors of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, e.g., 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Now, by the construction of the eigenvectors, we have that</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                g 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mi>
                 i 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                f 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mi>
                 i 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             K 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msub> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(39)</p>
    <p>Summing the above from 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, and then comparing with 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, we find after rearrangement that the nth component of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> is given by</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ≡ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msup> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <munderover> 
        <mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </munderover> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>(40)</p>
    <p>which provides a connection between the components of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> and the various constrained first-order derivatives. Equation (40) applies to any component of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> or for which variable is allowed to “float”, simply by replacing n with j.</p>
    <p>Explicitly constrained second-order derivatives of f, such as 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, can also be obtained, and are best done so by using the operator formalism and the repeated application of the chain rule. For example, Equations (33) and (36) imply that</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(41)</p>
    <p>Thus, by making sure to maintain the repeated and correct ordering of the gradient operator, one can show that</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>(42)</p>
    <p>where the second term on the far-right side corresponds to the Frobenius inner product of the two matrices. Consequently,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>(43)</p>
    <p>Similar operations can be performed to obtain the mixed second-order derivatives, e.g., first performing 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> followed by 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. In general, the result becomes</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mo>
              ∂ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                j 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             j 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            j 
          </mi> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            j 
          </mi> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>(44)</p>
    <p>As these are derivatives that explicitly maintain the constraint (for an arbitrary subset of variables), Equation (44) indicates that these mixed second derivatives ( 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>) are not necessarily equal, as in general 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math>. There are various types of constraints, or forms of the constraint function g, in which 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math>, and so the symmetric nature of the mixed second derivatives is recovered in these cases.</p>
    <p>A matrix of these explicit K-conserving second-order derivatives of f can be obtained from Equation (44). For example, the K-conserving second-order variation of f based on the chosen linearly independent 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> variations is, as before, given by or again noting that</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msubsup> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            δ 
          </mi> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               K 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                [ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 i 
               </mi> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ] 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msubsup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msubsup> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               K 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                [ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 i 
               </mi> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ] 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msubsup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msubsup> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <msubsup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msubsup> 
           <msup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               U 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msup> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <msubsup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mrow> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msubsup> 
           <msup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               U 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msup> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msup> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
              <mi>
                U 
              </mi> 
             </mstyle> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msup> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
         </msub> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(45)</p>
    <p>which allows us to introduce the following new matrix</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               U 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msup> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>(46)</p>
    <p>The above also could have been obtained from defining 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         ≡ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msubsup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo stretchy="false">
           [ 
         </mo> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> and again noting that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>. This is an 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> matrix that is not necessarily symmetric. The eigenvalues of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> can likewise be used to determine the nature of the extrema, which given its smaller size may be more convenient to evaluate than 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-"></xref>As an illustration of the new approach, consider 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> subject to the constraint of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Upon direct substitution using the constraint, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ± 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msubsup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> (where the + sign corresponds to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         &gt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and the − sign to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>). Therefore, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mtext>
               d 
             </mtext> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mtext>
               d 
             </mtext> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ± 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msubsup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msubsup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mtext>
               d 
             </mtext> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ± 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msubsup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msubsup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msubsup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. This function has several constrained extrema <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
      [1]
     </xref>, at which 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> (and taking 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>), which implies that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math>. With the constraint, there are then four extrema occurring at 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ± 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ± 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Now, for this problem, and using Equation (1),</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(47)</p>
    <p>Thus, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and so</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>(48)</p>
    <p>matching the result obtained by direct substitution. In addition, from Equation (43)</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mi>
                f 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msubsup> 
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                 x 
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              </msubsup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             K 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
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              ] 
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           = 
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            ( 
          </mo> 
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             , 
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           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
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           </mfrac> 
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            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
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            ( 
          </mo> 
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                 − 
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            ) 
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            ( 
          </mo> 
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            <mtr> 
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            </mtr> 
           </mtable> 
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          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
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            ( 
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                 − 
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                 − 
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            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           : 
         </mo> 
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          </mo> 
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            <mtr> 
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            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
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         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
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            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
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            </mn> 
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         </mfrac> 
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            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
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           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msubsup> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(49)</p>
    <p>again matching the previous result. In addition, at the extrema, Equation (49) indicates that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. Hence, the two extrema in which 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> have the same sign correspond to maxima, while those with opposite signs correspond to minima.</p>
   </sec>
   <sec id="s4_2">
    <title>4.2. Case of Multiple Constraints</title>
    <p>Meaningful constrained first-order derivatives of f for the case of multiple constraints can be obtained in a manner similar to what was done for a single constraint. With n total variables and m constraints ( 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>), there are now only 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> degrees of freedom. Hence, we can determine an explicitly constrained first-order derivative of f with respect to a variation in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, with m additional variables also allowed to vary because of the constraints, and with the remaining 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> variables held fixed. If, for example, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> through 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are chosen to be the m dependent or “floating parameters”, then via the chain rule we have that</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                f 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mi>
                 i 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              K 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mo>
               ⋯ 
             </mo> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mi>
                 n 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mi>
                   m 
                 </mi> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <mn>
                   1 
                 </mn> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mi>
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                  </mi> 
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                    − 
                  </mo> 
                  <mn>
                    1 
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                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
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                ∂ 
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              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mi>
                 i 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              K 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mo>
               ⋯ 
             </mo> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
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             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
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           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
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                ∂ 
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              </msub> 
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             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
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              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
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               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              K 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
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                 m 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mo>
               ⋯ 
             </mo> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msub> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(50)</p>
    <p>in which 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
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        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
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             − 
           </mo> 
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             1 
           </mn> 
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            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           ⋯ 
         </mo> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> again denotes the variables that are not held constant in the derivatives, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         ≡ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and, for example, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. Unlike the case of a single constraint, due to the complicated and possible coupled nature of the multiple constraints, a direct determination of, for example, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> may be cumbersome. But as before, information about such derivatives are contained within 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, or more precisely by the eigenvectors of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Again, a set of vectors that reside within, or are tangent to, the constraint surfaces can be generated from the eigenvectors of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> that have an eigenvalue equal to one, for which 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>. Since these 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> eigenvectors are already in the 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math>-conserving direction, they are of course also orthogonal to all the gradient vectors of the various constraint surfaces. In other words, this eigenvalue equation is equivalent to the following set of orthogonality conditions, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> for 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, which proves more convenient for generating the various eigenvectors. (With 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>, then 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> as 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Hence, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Or, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>. But 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, so 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Again, there is a connection between these eigenvectors and the implicit function theorem for these multiple constraints.) We therefore have m separate equations with n variables, for a total of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> degrees of freedom. For each of the possible 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> eigenvectors, we therefore set the value of one component equal to 1 (the variable 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> whose derivative we are evaluating in Equation (50)), while setting equal to zero the values of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> other components of the eigenvector (those held strictly fixed in Equation (50)). The orthogonality conditions are then solved to obtain the relative variations of the remaining m dependent variables (again all relative to changes in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>).</p>
    <p>If any one of these eigenvectors is denoted as 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, then as before</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                i 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>(51)</p>
    <p>Generating the 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> eigenvectors in this way again yields a set of linearly independent vectors, and will therefore form a basis set to describe other variations that reside in all of the constraint surfaces. And as before, all of these 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> relevant variations can be represented through the use of the matrix 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         U 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math>, which is now the 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> matrix whose columns are the linearly independent eigenvectors just obtained. Hence, as before,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             i 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
        </mstyle> 
       </msub> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>(52)</p>
    <p>Furthermore, explicitly constrained second-order derivatives of f can again be generated. If, for example, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> through 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are the m “floating parameters”, then</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mi>
                 i 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              K 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               i 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mo>
               ⋯ 
             </mo> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                f 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mi>
                 j 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
            <mi>
              K 
            </mi> 
           </mstyle> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               j 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 m 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mo>
               ⋯ 
             </mo> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msub> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msubsup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
         </msub> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            j 
          </mi> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mo>
           : 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msubsup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msubsup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            j 
          </mi> 
         </msub> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(53)</p>
    <p>Again, these mixed second derivatives ( 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>) are not necessarily equal, as in general 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Finally, we introduce the following matrix</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
             <mi>
               U 
             </mi> 
            </mstyle> 
            <mtext>
              T 
            </mtext> 
           </msup> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>(54)</p>
    <p>which is formally identical to Equation (46). The eigenvalues of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> can again be used to determine the nature of the extrema, which given its smaller size may again be more convenient to evaluate.</p>
    <p>As an example of the application of some of the above results, consider the function 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> subject to the two constraints of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. From direct substitution of the two constraints into the function, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         6 
       </mn> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         8 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         5 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, and so 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         12 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         8 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         12 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. For this problem <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
      [1]
     </xref>, a constrained extremum exists at 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, where 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          / 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         12 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         8 
       </mn> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, and which resides at a minimum.</p>
    <p>Now, for this problem,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             Q 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            6 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtable> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mn>
                5 
              </mn> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∇ 
               </mo> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  g 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
                <mtext>
                  T 
                </mtext> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∇ 
               </mo> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  g 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
                <mtext>
                  T 
                </mtext> 
               </msubsup> 
              </mrow> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∇ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  g 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∇ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  g 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
               <mi>
                 I 
               </mi> 
              </mstyle> 
             </mtd> 
            </mtr> 
           </mtable> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            5 
          </mn> 
          <mn>
            6 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msubsup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            6 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtable> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mrow> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mrow> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mrow> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mrow> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </mtd> 
             <mtd> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mtd> 
            </mtr> 
           </mtable> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(55)</p>
    <p>The single eigenvector of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> with eigenvalue of 1 can also be obtained from the two conditions, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. If we are interested in obtaining the explicitly constrained derivative with respect to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> (i.e., 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>), the eigenvector satisfying these two conditions is 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. (Note that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> represents a plane parallel to the 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>-direction with a normal vector 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, while 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> represents a plane parallel to the 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>-direction with a normal vector 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. The vector residing along the line resulting from the intersection of these two constraint planes must be orthogonal to both normal vectors, which in this case can also be obtained from their cross product, or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, and is identical to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math>.) Thus,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         12 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         8 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>(upon the subsequent use of the constraints). In addition,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         12 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>(also noting that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>), as found before. We can equivalently generate, for this problem, the now 1 × 1 matrix from Equation (54), 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         12 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, again confirming that the extremum is a minimum.</p>
    <p>Finally, again consider finding the extrema of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math>, but now subject to the two constraints of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. (For this problem, we are identifying those points along the intersection of a plane and a cylinder, or an ellipse oriented in the three-dimensional space, that are closest to and furthest from the origin.) As shown in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
      [1]
     </xref>, using Equations (7) and (12), there are four extrema located at 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, for which 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ± 
         </mo> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           ∓ 
         </mo> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           ∓ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> correspond to the two furthest points from the origin (maxima), while the other two extremal points are the two closest points to the origin (minima).</p>
    <p>The single eigenvector of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> with eigenvalue of 1 can be obtained from the two conditions, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. If we are interested in obtaining the explicitly constrained derivative with respect to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> (i.e., 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>), the eigenvector satisfying these two conditions is</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>(Again note that the vector residing in the direction along the intersection of these two constraint surfaces is proportional to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, and is identical to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>.) Thus,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>(56)</p>
    <p>which also follows from the direct substitution of the constraints into f. At an extremum, this derivative is equal to zero, which can be satisfied for either 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, and when 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. For 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, the second constraint indicates that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ± 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>, and so 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∓ 
       </mo> 
       <msqrt> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math>, which then requires that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         ∓ 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msqrt> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msqrt> 
      </mrow> 
     </math> upon using the first constraint. For 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, the first constraint reduces to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, which when substituted into the second constraint leads to the following two possible cases of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. While the latter case is one of the extrema identified in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
      [1]
     </xref>, this result must nevertheless be ignored. Hence, for this problem, Equation (56) can be used to identify three of the previously four determined extremal points. In addition,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mtext>
            T 
          </mtext> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         : 
       </mo> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>(57)</p>
    <p>At 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo> 
       </mo> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         &gt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, which corresponds to a local minimum. At 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msqrt> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, both result in 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, indicating these are local maxima (all results that were determined in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
      [1]
     </xref>).</p>
    <p>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-"></xref>(Note that the method in Ref. <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-1">
      [1]
     </xref> makes use of a vector in the direction along the intersection of the two constraints that always has a finite magnitude. Hence, such a vector remains well-behaved all along the ellipse, even at 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, so that Equations (7) and (12) are themselves able to identify all four extremal points. While the eigenvector 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> also points in the same direction along the intersection of these two constraints, it is not necessarily required to have a finite magnitude. Since these explicitly constrained derivatives consider how the dependent, or “floating”, variables change due to a “unit variation” of the chosen independent variable, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> is instead required to always have a finite value (equal to 1) for one of its components. In order to keep 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> pointing in the correct direction around the ellipse, some of the other components of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
      </mstyle> 
     </math> may therefore diverge, as occurs for example when 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Thus, these explicitly constrained derivatives may not, in general, be able to identify all relevant extremal points.</p>
    <p>To identify the other extremal point, we evaluate the explicitly constrained derivatives with respect to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. With 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, the appropriate eigenvector is now given by 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, which leads to</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>(58)</p>
    <p>Equation (58) again identifies the two extremal points corresponding to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. But now with 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, the case of 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> can be used to identify the fourth extremal point at 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Moreover,</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </msub> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msubsup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>(59)</p>
    <p>which indicates that 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> corresponds to a local minimum. These constrained derivatives allow for the straightforward determination of both the extrema and their nature, all of which were obtained without any knowledge of the Lagrange multipliers.</p>
    <p>Finally, for completeness, we also consider the explicitly constrained derivatives with respect to 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. Now with 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mtext>
          T 
        </mtext> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, then 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            K 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mn>
             3 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. (Both of these results directly follow from the substitution of the second constraint into the function, or 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
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       </mo> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
       <mo>
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       <msubsup> 
        <mi>
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        <mn>
          3 
        </mn> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math>.) These constrained derivatives only provide information about two of the four extremal points, in which 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
   </sec>
  </sec><sec id="s5">
   <title>5. Conclusions</title>
   <p>Through the use of linear algebra, and in particular the Gram-Schmidt orthogonalization process, the local extrema of functions for which its independent variables are also subject to constraints were determined without the use of Lagrange multipliers. This approach was extended to the continuum limit, thereby obtaining the extrema of functionals subject to one or more constraints. The direct determination of the explicitly constrained first- and second-order derivatives was also considered, and various additional expressions were obtained for generating information about the nature of the extrema (again without the need to evaluate any Lagrange multipliers).</p>
   <p>As noted previously, avoiding the use of Lagrange multipliers may simplify the analysis of various problems of interest. As our method can also be used to obtain immediate expressions for the Lagrange multipliers (in terms of the gradients of the function and constraints), the new relations provided here may yield some new and insightful relations into several physical problems of longstanding interest, which also require the imposition of various constraints. Such claims remain to be tested, and future work should be directed towards the application of the results provided here to standard problems of interest (e.g., the use of the Gibbs entropy formula along with appropriate constraints to generate the probability distributions for the various ensembles of statistical mechanics), as well as some new ones.</p>
  </sec><sec id="s6">
   <title>Appendix. Derivation of the Functional Derivatives by Analogy</title>
   <p>Starting with</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋱ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋮ 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msubsup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
             <mtext>
               T 
             </mtext> 
            </msubsup> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mo>
             ⋯ 
           </mo> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <mi>
               m 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd> 
           <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
            <mi>
              I 
            </mi> 
           </mstyle> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
       <mo>
         | 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(60)</p>
   <p>and</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mi>
          K 
        </mi> 
       </mstyle> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mi>
           m 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <msub> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mi>
         m 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
            <mover accent="true"> 
             <mi>
               Q 
             </mi> 
             <mo>
               ˜ 
             </mo> 
            </mover> 
           </mstyle> 
           <mi>
             m 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(61)</p>
   <p>which is only appropriate at the constrained extrema, we note for the case of a single constraint that</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <msub> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
       <mi>
         I 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(62)</p>
   <p>where 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. Thus, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
            <mover accent="true"> 
             <mi>
               Q 
             </mi> 
             <mo>
               ˜ 
             </mo> 
            </mover> 
           </mstyle> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>. Hence,</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
            <mover accent="true"> 
             <mi>
               Q 
             </mi> 
             <mo>
               ˜ 
             </mo> 
            </mover> 
           </mstyle> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(63)</p>
   <p>With 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> and now defining 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>, and also noting that 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>, Equation (63) can also be expressed as</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
            <mover accent="true"> 
             <mi>
               Q 
             </mi> 
             <mo>
               ˜ 
             </mo> 
            </mover> 
           </mstyle> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mn>
        2 
      </mn> 
      <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(64)</p>
   <p>So with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <msub> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           Q 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
       </mstyle> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold"> 
            <mover accent="true"> 
             <mi>
               Q 
             </mi> 
             <mo>
               ˜ 
             </mo> 
            </mover> 
           </mstyle> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>, then</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <msubsup> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msubsup> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           G 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
           <mtext>
             T 
           </mtext> 
          </msup> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           G 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           G 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           G 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           G 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math>(65)</p>
   <p>Since, for example, 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> is a scalar, the above can also be rewritten as</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <msubsup> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
        <msub> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mi>
           K 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <msubsup> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
           <mtext>
             T 
           </mtext> 
          </msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             F 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           G 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
           <mtext>
             T 
           </mtext> 
          </msup> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           G 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           G 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
       </mtd> 
      </mtr> 
      <mtr> 
       <mtd> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
           <mtext>
             T 
           </mtext> 
          </msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             G 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            g 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
           <mtext>
             T 
           </mtext> 
          </msup> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             G 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            f 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
       </mtd> 
      </mtr> 
     </mtable> 
    </math>(66)</p>
   <p>Finally, for the case in which 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         G 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, Equation (66) reduces to</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <msub> 
       <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mstyle> 
       <mi>
         K 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msubsup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           g 
         </mi> 
         <mtext>
           T 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           F 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>(67)</p>
   <p>Now, the matrix 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        F 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math> of discrete (unconstrained) second derivatives becomes the following in the continuum or functional limit</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ≡ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           j 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(68)</p>
   <p>(where i denotes the row and j the column of 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
      <mi>
        F 
      </mi> 
     </mstyle> 
    </math> for the discrete case). Thus, within Equation (67),</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <munder> 
       <mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
       </mstyle> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
      </munder> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <msub> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           j 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∫ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(69)</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <munder> 
       <mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
       </mstyle> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </munder> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <msub> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∫ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <msup> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(70)</p>
   <p>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.135182-"></xref> 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mtext>
         T 
       </mtext> 
      </msup> 
      <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
      </mstyle> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <munder> 
       <mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
       </mstyle> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
      </munder> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <munder> 
       <mstyle mathsize="140%" displaystyle="true"> 
        <mo>
          ∑ 
        </mo> 
       </mstyle> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
      </munder> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <msub> 
       <mi>
         F 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mi>
           j 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        → 
      </mo> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∬ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
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          </msup> 
         </mstyle> 
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       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mfrac> 
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        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
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       </mrow> 
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        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
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           ( 
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         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
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         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mi>
          f 
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       </mrow> 
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           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            x 
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         </mstyle> 
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           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
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        <mi>
          y 
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           ( 
         </mo> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
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           <mi>
             x 
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           <mo>
             ′ 
           </mo> 
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           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          g 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
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         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
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           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
         </mstyle> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(71)</p>
   <p>The other terms appearing in Equation (66) can be evaluated similarly as in the above.</p>
  </sec>
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